CN102235882A - 自校准光纤传感分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤传感分析仪，包括：宽带光源、成像单元、图像采集单元、数据处理单元、2x2路光耦合器、光开关以及标准具。标准具具有恒定的中心波长，宽带光源的输出光信号经由光耦合器传输至标准具后，经标准具过滤输出为标准具的中心波长，经由校准通道反馈回光耦合器，并被成像单元所接收。数据处理单元根据检测的标准具的中心波长的变化值，获得光纤传感分析仪的零点波长的漂移值，进而在数据处理时对光纤传感分析仪的零点波长进行自动补偿。本发明提供的自校准光纤传感分析仪能够在使用过程中实时的自动校准仪器自身的零点波长，无需人工校正，提高了测量的数据准确率，降低了使用成本，延长了使用寿命。

Description

自校准光纤传感分析仪

技术领域

本发明涉及一种光纤传感分析仪，特别是一种自动校准、自动监测的光纤传感分析仪。

背景技术

光纤传感器是光纤传感器中引人注目和十分重要的一类传感器件，使用光纤传感器可对钢结构/混凝土结构的应力和温度变化进行测量。同时由于光纤传感器采用光信号进行检测和传输，因此可以通过波分复用的技术实现任意规模的组网，从而进行大范围监控测量，因此该技术在测量、控制技术领域中，特别是在建筑、石油、采矿、化工、电力、交通等产业中得到了广泛的应用。

光纤传感器所测量的载有被测物理参量信息的光信号需要通过光纤传感分析仪才能实现数据采集和数据分析。现有的光纤传感分析仪主要包括光源、光源驱动电路、光隔离器、光耦合器、光电转换单元和数据处理单元所组成。受外界环境和长时间工作的影响，光纤传感分析仪的零点波长会发生漂移，而这种零点波长漂移量相对于光纤传感器的反射波长受被测物理量的影响变化量来说是比较大的，这就引入了较大的测量误差，导致测量准确率下降甚至失效。这种情况下往往需要人工对光纤传感分析仪进行校准和调节。

这不仅耗费人工和增加了工程成本，而且人工校准过程也会破坏仪器的封装状态，导致使用寿命降低。并且由于日常监测时无法保证仪器的零点波长的准确性，因此平时的测量数据的也有偏差，无法应用于监控实时性较高或要求灵敏度较高的场合。以上缺陷制约了现有的光纤传感分析仪在产业中的应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种可以自动对仪器自身的零点波长进行校准的光纤传感分析仪。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤传感分析仪，包括：宽带光源、成像单元、图像采集单元、数据处理单元、2x2路光耦合器、光开关以及标准具。宽带光源输出光信号。2x2路光耦合器包括第一端和第二端，第一端的第一路光学耦接至宽带光源的输出端。光开关包括多个光开关通道、多个与光开关通道对应的输入端以及一个输出端，多个输入端耦接多个载有光纤传感器的光纤，光开关的输出端耦接光耦合器的第二端的第二路，宽带光源的输出光信号经由光耦合器的第一端的第一路输入光开关，并沿光纤输入至多个光纤微栅传感器中，被光纤微栅传感器中的布拉格微栅所反射，其反射波长受被测参量的影响发生漂移，包括有反射波长漂移信息的反射光信号顺光纤传输，经由光开关的输出端传输至光耦合器的第二端的第二路。面阵式成像单元光学耦接至光耦合器的第一端的第二路，接收光耦合器的第二端的第二路所传输的反射光信号，将反射光信号转换为相应的模拟电压信号，模拟电压信号的电压大小与反射光信号的光强对应，电压信号的位置坐标与面阵式成像单元的面阵坐标对应。图像采集单元电连接成像单元，将成像单元输出的模拟电压信号转换成数字电压信号。数据处理单元电连接图像采集单元，读取图像采集单元转换的数字电压信号，对数字电压信号的变化进行分析处理。标准具包括输入端和输出端，标准具的输入端通过光纤耦接至光耦合器的第二端的第一路，标准具的输出端端通过光纤耦接至光开关的校准通道，标准具具有恒定的中心波长，宽带光源的输出光信号经由光耦合器传输至标准具后，经标准具过滤输出为标准具的中心波长，经由校准通道反馈回光耦合器，并被成像单元所接收。数据处理单元根据检测的标准具的中心波长的变化值，获得光纤传感分析仪的零点波长的漂移值，进而在数据处理时对光纤传感分析仪的零点波长进行自动补偿。

根据本发明的优选实施例，光纤传感分析仪进一步包括设置在宽带光源与光耦合器之间的光隔离器，光隔离器耦接宽带光源的光输出端，其具有单向光传输特性，使得宽带光源的输出光只能经由光隔离器向外传输，而外界光无法通过光隔离器传输回宽带光源。

根据本发明的优选实施例，光纤传感分析仪进一步包括光源驱动电路，电连接宽带光源，为宽带光源提供稳定的工作电流。

根据本发明的优选实施例，光纤传感分析仪进一步包括成像单元驱动电路，电连接成像单元，为成像单元提供稳定的工作电流。

本发明的有益效果是：本发明提供的自校准光纤传感分析仪能够在使用过程中实时的自动校准仪器自身的零点波长，无需人工校正，提高了测量的数据准确率，降低了使用成本，延长了使用寿命。

附图说明

图1是本发明自校准光纤传感分析仪实施例的结构框图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的自校准光纤传感分析仪具有大规模信号处理能力，可以同时连接多个光纤传感器，接收多个光纤传感器所提供的传感器信号，并同步进行传感参数的数据采集和初步的数据处理。

为使本领域技术人员更加容易的理解本发明，下面首先对本发明所采用光纤传感测量技术进行简要说明，以便于后续清楚的理解本发明自校准光纤传感分析仪的结构设计和工作原理。

本发明的自校准光纤传感分析仪是采用光纤布拉格微栅传感器作为传感元件进行传感测量。光纤布拉格微栅传感器是用光纤布拉格微栅作为敏感元件的功能型光纤传感器，可以直接测量应变和温度，实现应变和温度的直接测量，同时它还可以测量与应变和温度有关的其他许多物理量，如：振动、声音、压力、位移等。

光纤布拉格微栅传感器具有不受电磁干扰、不受射频干扰、不怕雷电打击、不怕有爆炸性及腐蚀性的气体、长寿命、装置无源、体积小、重量轻等优点。近几年来，光纤布拉格微栅传感技术已成为光纤传感中可靠性最高、实用性最强、最有活力的传感器技术。因为光纤布拉微栅本身属于无源装置，不会引起火花，所以特别适用于易燃易爆场合。

光纤布拉格微栅的传感原理说明如下：光纤通过紫外光的照射，纤芯折射率将发生周期性变化，从而形成芯体布拉格微栅。工作时，入射的宽带光中满足布拉格条件的窄带光波将被反射，布拉格微栅的反射中心波长随被测参量的变化而产生漂移，该变化量与被测参量相对应，通过测量该波长变化，就可以确定被测参量。

以上介绍了本发明所采用的光纤传感测量的技术原理，下面对本发明的自校准光纤传感分析仪进行详细说明。

图1是本发明自校准光纤传感分析仪实施例的结构框图。如图1所示，本发明中的自校准光纤传感分析仪包括：宽带光源、光源驱动电路、光隔离器、光耦合器、光开关、标准具、光开关驱动电路、成像单元、成像单元驱动电路、图像采集单元以及数据处理单元。自校准光纤传感分析仪经由光开关连接多个设置有光纤微栅传感器的测量光纤，以接收传感信号。

宽带光源是本发明自校准光纤传感分析仪的重要组件之一，用于提供波长范围较宽的宽带光输出。光纤传感器所选用的光源类型在很大程度上决定了此传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及测量精度，因此合适的光源对于整个光纤传感分析仪而言起着至关重要的作用。在本发明的优选实施例中，使用ASE(Amplified SpontaneousEmission，放大自发辐射)光源作为自校准光纤传感分析仪的宽带光源，ASE光源主体部分是增益介质掺铒光纤和高性能的泵浦激光器，ASE光源主要优点在于容易使低泵浦实现连续工作，阈值低，增益高、热效应低，能够很好地与光纤耦合，与现有的光纤器件完全兼容，其具有较高的温度稳定性和长期稳定性，而且光谱波长范围较大，有利于测量范围变化较大的被测参量。

光源驱动电路电连接宽带光源，为其提供稳定的工作电流，以保证宽带光源的稳定输出。

光隔离器耦接宽带光源的光输出端，其具有单向光传输特性，使得宽带光源的输出光只能经由光隔离器向外传输，而外界光无法通过光隔离器传输回宽带光源，这样就有效的避免了外界光对宽带光源的干扰，降低了系统的背景噪声。

宽带光源的输出光通过光隔离器后传输至光耦合器，经由光耦合器分光至标准具和光开关，光耦合器例如为2X2路光耦合器。光耦合器包括第一端和第二端，第一端的第一路经由光隔离器光学耦接至宽带光源的输出端。第一端的第二路光学耦接至成像单元，第二端的第一路光学耦接至标准具的输入端，第二端的第二路光学耦接至光开关的输出端。

光开关包括1xn个光开关通道，其包括1xn个与1xn个光开关通道对应的输入端和1个输出端，多个输入端耦接多个载有光纤传感器的光纤，输出端耦接光耦合器的第二端的第二路。光开关的功能是连接并控制多个光纤微栅传感器的输入信号是否被接入自校准光纤传感分析仪，以便于扩展传感测量通道。光开关可采用MEMS(微机电系统)光开关、液晶光电开关、光调制开关等多种类型。通过光开关的依次对多个通道的依次开启和关闭，自校准光纤传感分析仪就可以依次采集多个光纤微栅传感器所提供的传感测量信号。由于光开关的开关频率很高，可以达到每秒25Hz至50Hz，因此，可以保证自校准光纤传感分析仪实时的对多个光纤微栅传感器进行检测。

宽带光源的输出光经由光开关沿光纤输入至多个光纤微栅传感器中，并被光纤微栅传感器中的布拉格微栅所反射，其反射波长受被测参量的影响发生漂移，反射光顺光纤反射回光开关通道，然后经由光耦合器输入至成像单元。由于是光速传播，因此在光开关所控制的通道开启的瞬间即完成了传感测量过程。

成像单元耦接光耦合器的第一端的第二路，用于接收光信号并转换为相应的电信号。成像单元是光电转换器件，在本发明的优选实施例中，成像单元采用CCD(Charge Coupled Device，电荷耦合器件)或COMS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补型金属氧化物半导体)图像传感器。无论是CCD还是CMOS，它们都采用感光元件作为影像捕获的基本手段，CCD/CMOS感光元件的核心都是一个感光二极管(photodiode)，该二极管在接受光线照射之后能够产生输出电流，而电流的强度则与光照的强度对应。在接受光照之后，感光元件产生对应的电流，电流大小与光强对应，因此感光元件直接输出的电信号是模拟的。成像单元通过感光元件将经由光耦合器传送的布拉格微栅的反射光谱转换为对应的电压信号，从而反映出布拉格微栅的反射中心波长的变化。成像单元的结构是面阵式，因此可以记录布拉格微栅的反射光谱在光纤截面上的

成像单元驱动电路电连接成像单元，为其提供稳定的工作电流，以保证成像单元的稳定工作。

图像采集单元电连接成像单元，其作用是将成像单元输出的模拟电压信号转换成数字电压信号，并存储在外部存储器(RAM或Flash)中，以便于数据处理单元进行读取和后续处理分析。由于成像单元输出的电压值对应于像元上的照度值，因而成像单元输出的电压为一模拟量，频率例如为2MHz。在本发明的优选实施方式中，采用FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)嵌入式高速采集卡作为图像采集单元。FPGA嵌入式高速采集卡10包括高速模拟/数字转换芯片(A/D芯片)、外存储器RAM、自动地址形成电路和控制电路。FPGA嵌入式高速采集卡由于采用了现场可编程门阵列，因此可以根据光纤传感器的实际应用情况，修改门阵列的编程逻辑，进而调整采样率、采样电压等参数。

数据处理单元电连接图像采集单元，其读取图像采集单元的存储器中存储的数字电压信号，对布拉格微栅的反射中心波长的变化进行分析处理。数据处理单元分析处理的具体功能和处理流程在后面将进行详细描述，此处不作展开。数据处理单元可以采用嵌入式计算机系统和通用计算机系统(例如个人计算机PC)。此外，数据处理单元还可以进一步连接数据传输单元连接至互联网，以便于外界访问。

标准具的输入端通过光纤耦接至光耦合器的第二端的第一路，输出端端通过光纤耦接至光开关的0通道(校准通道)，当光开关的0通道开启，其他通道关闭时，即可以对光纤传感分析仪进行自动校准。标准具作为测量标尺，其具有一基本恒定的中心波长，并且标准具的波长不随温度发生漂移，热稳定性非常好。在本发明的优选实施例中，标准具为F-P(法布里-珀罗)标准具，具有一窄带中心过滤波长。宽带光源的输出光经由光耦合器传输至标准具后，经标准具过滤输出为标准具的中心波长，经由光开关的0通道反馈回光耦合器，并被成像单元所接收。

由于标准具的中心波长值是已知恒定的，通过检测标准具的中心波长值的变化值，就可以获得光纤传感分析仪的零点波长的漂移值，进而在数据处理时对光纤传感分析仪的零点波长进行自动补偿，从而实现了光纤传感分析仪的自动校准。

本发明提供的自校准光纤传感分析仪能够在使用过程中实时的自动校准仪器自身的零点波长，无需人工校正，提高了测量的数据准确率，降低了使用成本，延长了使用寿命。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神的原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤传感分析仪，其特征在于，包括：

宽带光源，输出光信号；

2x2路光耦合器，包括第一端和第二端，第一端的第一路光学耦接至宽带光源的输出端；

光开关，包括多个光开关通道、多个与光开关通道对应的输入端以及一个输出端，多个输入端耦接多个载有光纤传感器的光纤，所述光开关的输出端耦接光耦合器的第二端的第二路，所述宽带光源的输出光信号经由所述光耦合器的第一端的第一路输入所述光开关，并沿所述光纤输入至所述多个光纤微栅传感器中，被所述光纤微栅传感器中的布拉格微栅所反射，其反射波长受被测参量的影响发生漂移，包括有反射波长漂移信息的反射光信号顺光纤传输，经由所述光开关的输出端传输至所述光耦合器的第二端的第二路；

面阵式成像单元，光学耦接至所述光耦合器的第一端的第二路，接收所述光耦合器的第二端的第二路所传输的所述反射光信号，将所述反射光信号转换为相应的模拟电压信号，所述模拟电压信号的电压大小与所述反射光信号的光强对应，所述电压信号的位置坐标与所述面阵式成像单元的面阵坐标对应；

图像采集单元，电连接成像单元，将所述成像单元输出的模拟电压信号转换成数字电压信号；

数据处理单元，电连接所述图像采集单元，读取所述图像采集单元转换的数字电压信号，对数字电压信号的变化进行分析处理；以及

标准具，包括输入端和输出端，所述标准具的输入端通过光纤耦接至所述光耦合器的第二端的第一路，所述标准具的输出端端通过光纤耦接至所述光开关的校准通道，所述标准具具有恒定的中心波长，所述宽带光源的输出光信号经由所述光耦合器传输至所述标准具后，经标准具过滤输出为所述标准具的中心波长，经由所述校准通道反馈回所述光耦合器，并被成像单元所接收；

所述数据处理单元根据检测的所述标准具的中心波长的变化值，获得所述光纤传感分析仪的零点波长的漂移值，进而在数据处理时对所述光纤传感分析仪的零点波长进行自动补偿。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感分析仪进一步包括设置在所述宽带光源与所述光耦合器之间的光隔离器，所述光隔离器耦接所述宽带光源的光输出端，其具有单向光传输特性，使得宽带光源的输出光只能经由光隔离器向外传输，而外界光无法通过光隔离器传输回宽带光源。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器，其特征在于，所述光纤传感分析仪进一步包括光源驱动电路，电连接所述宽带光源，为所述宽带光源提供稳定的工作电流。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器，所述光纤传感分析仪进一步包括成像单元驱动电路，电连接所述成像单元，为所述成像单元提供稳定的工作电流。

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